Tatuajes vivos con bacterias modificadas genéticamente: nueva innovación en bioimpresión

• Investigadores crean un tatuaje delgado sensible a células que brilla al contacto con células de la piel.
• La tinta del tatuaje está hecha de hidrogel y mezcla de nutrientes para mantener las células vivas.
• La tinta puede imprimirse a alta resolución, aproximadamente 30 micrómetros.
• Un tatuaje vivo impreso en 3D tiene 3 sensores diferentes, que soportan compresión, estiramiento y torsión.

Investigadores del MIT han encontrado un nuevo método para usar un tipo especial de tinta hecha de células vivas programadas genéticamente. Han ideado un tatuaje temporal, y su prototipo parece un parche delgado, transparente y adhesivo con un patrón en forma de árbol.

Está dividido en varias secciones sensibles a diferentes compuestos químicos. Cuando este tatuaje entra en contacto con la piel, se expone a un compuesto particular (presente en la piel humana), haciendo que las regiones correspondientes del árbol se iluminen en respuesta.

Esto ocurre porque las células están diseñadas para iluminarse en respuesta a diferentes estímulos. Cuando se combinan con una mezcla de nutrientes e hidrógeno, las células pueden imprimirse capa a capa para formar una estructura 3D interactiva.

Estudios previos en el mismo campo

El material sensible a estímulos no es nuevo: la investigación y desarrollo lleva más de una década. Por ejemplo, un material que responde bien a químicos puede usarse para crear un sensor químico, o un material que responde a altas temperaturas puede usarse para desarrollar robots autoensamblables.

Desde que la impresión 3D es ahora ampliamente accesible y disponible a precios mucho más baratos, se ha convertido en un método común para desarrollar objetos experimentales, incluyendo materiales sensibles a estímulos.

Sin embargo, esta vez los investigadores encontraron una forma de usar células vivas que pueden programarse y obtenerse en un material reactivo impreso en 3D. Las investigaciones realizadas hasta la fecha sugieren que al menos las células de mamíferos no serían factibles para esto. No pueden funcionar en las duras condiciones de la impresión 3D: exposición a ultravioleta durante el entrecruzamiento, fuerza de cizallamiento durante la extrusión y más. Como las células de mamíferos son globos de bicapa lipídica, mueren durante el proceso de impresión.

Por otro lado, las células bacterianas con una pared celular protectora son mucho más fuertes. Son compatibles con la mayoría de hidrogeles, material hecho de polímero y agua, usado en una amplia gama de aplicaciones médicas.

La nueva tinta reactiva viva

Los investigadores del MIT usan una nueva técnica para fabricar material 'activo' para pantallas interactivas y sensores portátiles. De hecho, estos materiales podrían combinarse con células vivas para detectar químicos ambientales y contaminantes, así como ligeras alteraciones en temperatura y pH.

Usando células bacterianas programadas genéticamente, el equipo construyó una tinta hecha de hidrogel y mezcla de nutrientes para mantener las células vivas.

Más específicamente, han diseñado una gama de células bacterianas que pueden generar proteína fluorescente verde (GFP) o secretar químicos en respuesta a cuatro químicos de señalización diferentes, que se difunden libremente por el hidrogel. La bio-tinta que contiene micelas puras de diacrilato de pluronic F127 recupera un estado de empaquetado después de la impresión, estabilizado por entrecruzamiento ultravioleta.

Referencia: Advanced Materials | 10.1002/adma.201704821 | Via MIT News

También han construido un modelo para predecir las interacciones entre células dentro de una estructura impresa en 3D, bajo diferentes condiciones. Este modelo podría ser usado por otros científicos como guía para crear materiales vivos reactivos.

La tinta que han desarrollado puede imprimirse a alta resolución, aproximadamente 0,03 milímetros o 30 micrómetros. Incluso conexiones en forma de pirámide de analito y sensor se logran fácilmente. La impresión 3D multi-tinta permite la construcción de varias compuertas lógicas usando fluorescencia GFP como salida. Ya han impreso el patrón de prueba sobre elastómero y lo pegaron a piel, que había sido untada con químicos.

El patrón espacio-temporal controlado se logra debido a la distribución espacial bien definida del hidrogel, la dependencia temporal de la difusión de la molécula de señal y la producción de GFP.

El gel que consiste en bacterias sensibles a N-acoil homoserina lactona, puede imprimirse en patrones intrincados. La conexión a gel que contiene N-acoil homoserina lactona induce la producción de GFP de las bacterias, que se dispersa por todo el sensor durante la noche.

Un tatuaje vivo impreso en 3D desarrollado con esta metodología tiene 3 sensores diferentes, que pueden soportar compresión, estiramiento y torsión. La aplicación de analitos causa respuestas locales precisas solo en el área del sensor respectivo.

Durante unas horas, diferentes secciones del patrón del árbol en el tatuaje se iluminaron a medida que las bacterias entraban en contacto directo con sus estímulos químicos. Las células bacterianas también pueden comunicarse entre sí y fluorescer tras recibir una señal específica de otra célula.

Los investigadores lo probaron en una estructura 3D, superponiendo dos láminas de filamentos de hidrogel impresos. Se iluminaron cuando entraron en contacto entre sí y recibieron la señal de comunicación específica.

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¿Qué sigue?

En un futuro próximo, los investigadores esperan poder imprimir plataformas computacionales portátiles vivas, y estructuras con varios tipos de células que puedan pasar señales de ida y vuelta, como transistores en un microchip.

Están trabajando para desarrollar sistemas de administración de fármacos y sensores químicos, que pueden programarse para liberar fármacos en el cuerpo a lo largo del tiempo.